阚兴隆

摘 要：电力系统是现代社会不可缺少的重要组成部分，而电力变压器广泛应用于电力系统中，承担着电位隔离、电压变换等功能。电子电力变压器是一种基于电力电子变流技术的新型电力变压器，不仅可以完成传统电力变压器的功能，还具有完全的可控性、并能提供多种电能形式，所以电子电力变压器具备解决未来电网面临的诸多问题的能力。

关键词：电力；变压器；电气高压

一、引言

近几十年，电力网络的规模日趋扩大、结构日趋复杂、运行方式日趋繁琐，导致电力系统稳定问题日趋明显；大量非线性和非对称负荷接入电网，导致电能质量下降，使电力系统不能为对电能质量敏感的负荷提供高品质供电；21 世纪初学者提出了“智能电网”的概念，作为“智能电网”的重要组成部分，交/直流微网的智能化运行方式和灵活电网结构成为研究热点，其需要灵活的交直流变换的电力接口。传统电力设备尤其是传统电力变压器的智能控制手段和交直流电力接口功能非常有限，不能改善系统稳定性问题，不能解决电能品质问题，不能提供智能控制，不能提供灵活交直流电力接口功能。

二、概念界定

电力变压器（power transformer）是通过电磁感应将一个系统的交流电压和电流转换为另一个系统的电压和电流的电力设备，承担电压隔离、电压等级变换、能量传输等功能。电力变压器广泛应用于电力系统多个环节，包括发电系统、输变电系统、配电系统，是电力系统最重要的组成设备之一。

三、基于电力电子技术的电子电力变压器的研究

内部电气参数模型及其分析：电子电力变压器内部电气参数的建模和分析，是研究电子电力变压器内部电气稳态运行问题重要环节，在设计时即可通过建模、分析和仿真评估其稳态运行状态，进而合理调整并优化各个组成元件的设计参数，同时可以为电子电力变压器的实时监测、控制和保护提供参考。

硬件设计原则：电子电力变压器内部静态模型的电气参数的分析与计算，可以得到电子电力变压器原副方直流电容电压、中频变压器绕组电流、直流母排电流等的详细的波形与量化的幅值，该结果可以直接指导电子电力变压器的硬件选型与设计。合理的硬件设计与选型可以优化整个装置的体积，降低成本，减少运行风险。

动态模型研究：在电子电力变压器启动、工作点偏移和内部或外部的发生故障的情况下，其内部电气运行参数会发生变化，研究人员需要研究电子电力变压器内部动态模型及其电气参数的变化规律，研究其暂态和动态特性。在保证其装置安全的情况下，结合其动态模型研究结果，通过调整合适的控制方式提高其故障穿越能力。

四、10k V 电子电力变压器工业样机关键环节设计与实现

1.主回路拓扑与控制系统设计

该电子电力变压器样机的拓扑结构如下图所示。原方为Y型接法，由于现场的10k V电网无中性点，所以原方Y型的中性点浮地；副方为Y型接法，由于现场的400V电网为三相四线制，所以副方Y型的中性点接出。

2.关键元件的选型与设计

（1）直流母排设计。在大功率电力电子变换器中，直流母排起到了非常关键的作用：用于完成电力电子产品中功率电路和器件的电气连接，通过正负极层叠平行分布的结构形式降低线路杂散电感，从而降低功率元件两端的反向峰值电压，降低功率器件对电压保护吸收电路的要求，提高功率器件运行的可靠性和稳定性，同时提高了电路的集成度，便于维修维护。直流母排的设计可以参考如下原则：

第一，尽可能保证正负母排面积重合，不建议设计为正负母排不完全重合形式。

第二，尽可能保证正负两极的导通路径相等。

第三，尽可能保证正负两极的导通回路闭合的面积最小。空间上的直线排布可以使其面积最小，可使其杂散电感最小，所以推荐保证每个IGBT对应一个或多个直流电容。

第四，直流母排所有出线的端子必须加支撑。功率胞外部接线多使用电缆或铜排，这些接线会对端子产生较大的机械应力；受制于加工精度，某些连接端子存在安装误差，可能会造成母排端子和IGBT端子产生持续应力。短时过大的应力或长期承受应力，可能会对直流母排结构和IGBT端子产生破坏性影响，所以端子的支撑是必须的。

（2）冷却系统设计。电子电力变压器冷却系统的设计直接影响电力电子变压器的整体结构，经济指标和技术水平，是电子电力变压器设计工作中的重要一环。本装置使用的冷却系统为水冷和风冷混合式散热方案，水冷系统对功率器件进行散热，强迫风冷实现对磁性元件的散热。水冷系统由水冷散热片、泵系统、水风换热系统等系统组成。散热片设计分为以下几个部分：器件损耗、结温计算、热阻计算。

（1）高低压功率胞设计。级联多电平结构电子电力变压器容易实现模块化設计，便于进行冗余设计，便于生产、安装、检修等，从硬件上提高装置的可靠性和可维护性。所以其高低压侧功率胞的设计遵循模块化的设计理念，其高低压侧功率胞分别设计为完全相同的单元。

（2）高低压功率胞耐压实验。高低压侧功率胞安装完成之后，需要进行绝缘耐压实验。该绝缘试验参考国家标准和电力行业标准，对10k V EPT装置进行一系列绝缘试验。

（3）电子电力变压器功率柜设计。电子电力变压器柜体设计设计同样需要考虑绝缘爬电和电气间距的国标要求。除了电子电力变压器功率胞安装装配的柜体之外，还有输入开关柜、启动电阻和boost电感柜、主控制柜、冷却系统柜等。

五、结束语

电子电力变压器是智能电网重要的组成部分，其拥有良好的可控性、优秀的谐波抑制能力、灵活的接口和拓扑结构等，在电力系统中表现出良好的可控性能，已经成为众多学者研究的热点。

参考文献：

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